HUMS典型傳感器支架的設(shè)計(jì)

胡 堅(jiān)，李開(kāi)成，馬子生,楊 月

(航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

1 HUMS的定義及功能

直升機(jī)狀態(tài)與使用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(healthy and usage monitoring systems, HUMS)用于檢測(cè)直升機(jī)運(yùn)行的相關(guān)信息，評(píng)估零部件剩余安全壽命，判斷是否存在故障以及分析故障原因和部位，并做出相應(yīng)決策[1]。HUMS主要包含機(jī)載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和通信系統(tǒng)3部分[2]。HUMS的運(yùn)用對(duì)推動(dòng)直升機(jī)從“事后維修”、“定時(shí)維修”向“視情維修”轉(zhuǎn)變具有十分重要的意義，是提高直升機(jī)可靠性、維修性和保障性的必然手段[3]。

HUMS運(yùn)用振動(dòng)傳感器對(duì)直升機(jī)的三大動(dòng)部件(旋翼系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng))及機(jī)體的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)超限告警功能，利用旋翼軌跡傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)旋翼軌跡的測(cè)量及動(dòng)平衡分析功能并給出調(diào)整建議；為地面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供旋轉(zhuǎn)部件的使用狀態(tài)信息，對(duì)旋翼、尾槳等重要關(guān)鍵部件的損傷累積分析提供數(shù)據(jù)；為直升機(jī)的使用監(jiān)測(cè)、健康監(jiān)測(cè)、故障診斷、壽命監(jiān)測(cè)、故障定位等艦基和陸基的保障提供數(shù)據(jù)支撐；為飛行安全保障及日常使用維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐[4]。

2 HUMS傳感器支架的設(shè)計(jì)原則

HUMS中的傳感器需要安裝在支架上，因此支架設(shè)計(jì)得好壞對(duì)能否獲取準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有重要意義。HUMS中典型的傳感器有振動(dòng)傳感器(單軸或三軸)、高溫振動(dòng)傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器(光電或磁電)和旋翼軌跡傳感器，如圖1所示。

振動(dòng)傳感器安裝在傳動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)體上，可根據(jù)監(jiān)測(cè)需要選用單軸傳感器或三軸傳感器，高溫振動(dòng)傳感器安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)處，轉(zhuǎn)速傳感器安裝在主旋翼和尾槳處，旋翼軌跡傳感器安裝在駕駛艙。

圖1 HUMS典型傳感器

HUMS中的傳感器較多。需要安裝多少個(gè)傳感器、傳感器具體安裝在什么位置才能夠真實(shí)反映機(jī)體或者三大動(dòng)部件等的振動(dòng)情況，是首先要解決的問(wèn)題。原直升機(jī)機(jī)體和發(fā)動(dòng)機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有為這些傳感器預(yù)留適當(dāng)?shù)陌惭b接口，安裝空間也不足。不同傳感器的安裝位置以及安裝方式不盡相同，因此需根據(jù)不同的安裝要求，經(jīng)地面半實(shí)物仿真試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析確定各傳感器的安裝位置和安裝方式，同時(shí)盡量借用機(jī)上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合適的安裝支架，以滿足傳感器的安裝需要，從而保證測(cè)量數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度。

傳感器支架的安裝不得影響飛行員的視線、操作和活動(dòng)，不破壞直升機(jī)總體氣動(dòng)外形，方便線纜走線。此外支架不得與機(jī)體部件發(fā)生干涉，尤其與動(dòng)部件要留有足夠的安全距離，防止飛行過(guò)程中因機(jī)體振動(dòng)發(fā)生干涉，產(chǎn)生不可預(yù)料的后果。支架應(yīng)安裝、拆卸方便，留有足夠的操作空間。設(shè)計(jì)過(guò)程中還需選擇合適的材料和加工方法，并根據(jù)需要選用合理的熱處理工藝和表面處理方法。

傳感器支架設(shè)計(jì)需要從安裝協(xié)調(diào)、使用維護(hù)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及模態(tài)和加工工藝等方面進(jìn)行綜合考量，支架初步設(shè)計(jì)完成后需要在機(jī)上試裝和測(cè)試，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整支架的設(shè)計(jì)、安裝，直到獲得準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)。傳感器支架設(shè)計(jì)是HUMS設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，是直升機(jī)數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵步驟，應(yīng)引起相關(guān)技術(shù)人員的重視。

3 傳感器支架設(shè)計(jì)應(yīng)用舉例

3.1 主減速器振動(dòng)傳感器支架的設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)對(duì)主減速器的振動(dòng)監(jiān)測(cè)方向要求(軸向或徑向)和其他技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的振動(dòng)傳感器支架，如圖2所示。傳感器支架借用主減速器的安裝螺栓進(jìn)行固定，取消螺栓處的墊圈以保證螺母出扣，然后將保險(xiǎn)絲穿入螺釘和支架上的保險(xiǎn)孔中防止螺母松動(dòng)。安裝過(guò)程中，根據(jù)相應(yīng)的擰緊力矩要求來(lái)擰緊螺栓，防止在振動(dòng)過(guò)程中連接松動(dòng)。

圖2 主減速器振動(dòng)傳感器支架

支架1安裝在主減速器輸入端，選用的材料為30CrMnSiA合金鋼，其抗拉強(qiáng)度為σb=1 080MPa，傳感器質(zhì)量為40g。根據(jù)支架安裝約束條件用ABAQUS軟件對(duì)支架進(jìn)行強(qiáng)度校核[5]，仿真結(jié)果表明支架應(yīng)力最大值為0.25MPa，強(qiáng)度滿足要求。對(duì)傳感器支架進(jìn)行模態(tài)分析，得到支架前4階振型，其前4階固有頻率分別為1 218.1Hz、2 354.1Hz、3 812.0Hz和5 706.0Hz，如圖3所示。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算主減速器輸入端齒輪嚙合頻率為3 234.8Hz，因此不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，滿足振動(dòng)監(jiān)測(cè)要求。

圖3 主減速器振動(dòng)傳感器支架1模態(tài)分析

3.2 主旋翼轉(zhuǎn)速傳感器支架的設(shè)計(jì)

該主旋翼轉(zhuǎn)速傳感器為磁電傳感器，傳感器和支架安裝在不動(dòng)環(huán)防扭臂上，磁條安裝在動(dòng)環(huán)扭力臂上，如圖4所示，磁條在隨動(dòng)環(huán)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中切割傳感器產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而記錄轉(zhuǎn)速信號(hào)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)磁條應(yīng)采用磁性材料，故選用的材料為30CrMnSiA合金鋼。為了避免對(duì)傳感器信號(hào)產(chǎn)生干擾，傳感器支架選用7075鋁合金，且使傳感器盡量遠(yuǎn)離其他磁性材料。由于傳感器支架安裝在動(dòng)部件上，為防止支架受到較大振動(dòng)而松動(dòng)，需利用不動(dòng)環(huán)防扭臂的兩個(gè)螺栓進(jìn)行安裝固定。設(shè)計(jì)完成后對(duì)傳感器支架、磁條和自動(dòng)傾斜器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，以避免發(fā)生干涉。對(duì)傳感器支架進(jìn)行模態(tài)分析，傳感器支架的前4階固有頻率分別為81.3Hz、150.4Hz、387.0Hz和1 359.0Hz，如圖5所示，而經(jīng)過(guò)計(jì)算主減速器旋翼軸輸出端齒輪嚙合頻率為472.35Hz，表明支架設(shè)計(jì)符合性能要求。傳感器及支架裝機(jī)后，需要在機(jī)上進(jìn)行盤槳操作，確保不會(huì)與機(jī)上其他部件發(fā)生干涉。監(jiān)測(cè)傳感器接收到的脈沖信號(hào)，若脈沖信號(hào)不能精確反映轉(zhuǎn)速大小，則需要查找原因并進(jìn)行改進(jìn)。

圖4 主旋翼轉(zhuǎn)速傳感器支架安裝

圖5 主旋翼轉(zhuǎn)速傳感器支架模態(tài)分析

3.3 旋翼軌跡傳感器支架的設(shè)計(jì)

直升機(jī)旋翼軌跡測(cè)量方法主要有標(biāo)桿法、頻閃儀法、高速攝像法和通用軌跡測(cè)量?jī)x法，其中通用軌跡測(cè)量?jī)x法作為一種省時(shí)省力和高精度的測(cè)量方法被廣泛應(yīng)用于各型號(hào)直升機(jī)旋翼軌跡測(cè)量中。UTD(universal track device)傳感器是一種專用的旋翼軌跡光電傳感器，在傳感器中裝有2個(gè)安裝角為11°的光電感應(yīng)器件，當(dāng)槳葉掃過(guò)傳感器時(shí)，它的光學(xué)器件感受光的強(qiáng)弱變化而產(chǎn)生不同的電脈沖信號(hào)，對(duì)各脈沖的時(shí)間間隔進(jìn)行精確測(cè)定，以此來(lái)確定槳尖的運(yùn)動(dòng)軌跡。旋翼軌跡傳感器的工作原理見(jiàn)文獻(xiàn)[6]。

UTD傳感器對(duì)安裝位置及安裝角度要求較高，不同的安裝位置和角度對(duì)測(cè)量精度影響較大[7]。在槳葉揮舞下限處，傳感器發(fā)出的光束不能被槳葉調(diào)整片擋住；在槳葉揮舞上限處，傳感器發(fā)出的光束需照射到槳葉0.9R的范圍內(nèi)，如圖6所示。故傳感器的安裝位置及安裝角度必須符合上述要求。

圖6 旋翼軌跡傳感器的照射范圍

確定旋翼軌跡傳感器的安裝位置及角度后，需要根據(jù)機(jī)上實(shí)際情況設(shè)計(jì)支架。以某型直升機(jī)為例，傳感器安裝在駕駛艙內(nèi)，支架固定在駕駛艙壁框上，如圖7所示。在試飛過(guò)程中，槳葉掃過(guò)夾角為11°的區(qū)域，傳感器實(shí)時(shí)采集槳葉掃過(guò)該區(qū)域的時(shí)間信號(hào)，通過(guò)多次平均獲得每片槳葉的揮舞高度，并求得旋翼的共錐度值。在此過(guò)程中需要調(diào)整變距拉桿來(lái)保證旋翼的共錐度值在合理范圍內(nèi)。

圖7 旋翼軌跡傳感器支架

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

將傳感器和傳感器支架裝機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，在試飛中采集相關(guān)數(shù)據(jù)，采樣頻率為4kHz。該型號(hào)直升機(jī)有5片主槳葉，主槳轉(zhuǎn)頻為4.2Hz，采集的數(shù)據(jù)如圖8所示。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，主減速器輸入端振動(dòng)信號(hào)平穩(wěn)，最高振動(dòng)水平為10g左右，符合實(shí)際情況。根據(jù)主旋翼轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得的脈沖信號(hào)，計(jì)算得到旋翼旋轉(zhuǎn)一周所需的時(shí)間為T=976/4 096=0.238 3s，從而得到主旋翼的轉(zhuǎn)頻為f=1/T=4.196Hz，與該型號(hào)直升機(jī)實(shí)際主槳轉(zhuǎn)頻4.2Hz很接近，說(shuō)明傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。通過(guò)反復(fù)調(diào)節(jié)變距拉桿伸長(zhǎng)量并根據(jù)旋翼軌跡傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得到旋翼共錐度值為4mm，小于靶標(biāo)高度的1/2，表明旋翼錐體調(diào)整正確。

圖8 3個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的傳感器支架裝機(jī)使用后，從傳感器獲得的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崟r(shí)正確地反映直升機(jī)部件的狀態(tài)，滿足HUMS功能需求。在科技人員的不懈努力下，HUMS應(yīng)用技術(shù)越來(lái)越成熟，HUMS已經(jīng)成為國(guó)產(chǎn)直升機(jī)的必備系統(tǒng)，大大提高了直升機(jī)的安全性，降低了使用和維護(hù)成本。為了安裝維護(hù)方便，今后在直升機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)考慮為HUMS傳感器預(yù)留相應(yīng)的安裝接口。

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